割草機(jī)旋刀裝置的降噪措施

撰文/曹良志

■317500 利歐集團(tuán)股份有限公司 浙江 溫嶺

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割草機(jī)旋刀裝置的降噪措施

撰文/曹良志

■317500 利歐集團(tuán)股份有限公司 浙江 溫嶺

割草機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合其工作狀況的要求，通過(guò)分析割草機(jī)的作用工況及其工作原理，從實(shí)際出發(fā)并有針對(duì)性的進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)，得出最為理想的設(shè)計(jì)思路，并針對(duì)于旋刀式割草機(jī)的噪聲大問(wèn)題采取相應(yīng)的減噪措施，從而降低外部環(huán)境對(duì)其內(nèi)部振動(dòng)的影響，達(dá)到降低噪音的目標(biāo)。割草機(jī)；旋刀式；減噪措施

目前，草坪割草機(jī)的切割裝置主要有旋刀式和滾刀式兩種型式。旋刀式草坪割草機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用維修簡(jiǎn)單，因而在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上得到了廣泛的應(yīng)用，但是它存在的主要問(wèn)題是噪聲太大。為此，本文主要對(duì)旋刀式割草機(jī)的工作狀況、工作原理、以及降噪措施進(jìn)行闡述。

割草機(jī)的工作情況和原理分析

割草機(jī)的作業(yè)工況

割草機(jī)的技術(shù)狀態(tài)要求設(shè)備完整、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音適度；連接件牢固、緊固件沒(méi)有松動(dòng)，沒(méi)有漏油；工作中切割器可以適應(yīng)地面起伏，升降范圍滿足牧草要求。割草機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)部件和外露的動(dòng)力傳輸部件應(yīng)進(jìn)行防護(hù)；割草機(jī)應(yīng)用裝置有過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)和安全起落機(jī)構(gòu)；作業(yè)之前應(yīng)保證地塊的相對(duì)整潔，即沒(méi)有大石塊等雜物從而影響割刀的運(yùn)行，避免割刀損壞；作業(yè)中如遇故障應(yīng)停車后進(jìn)行檢查排除；在作業(yè)前應(yīng)細(xì)致檢查割刀、連接、等是否鎖死，并保證各個(gè)部件完好沒(méi)有磨損和損壞。

割草機(jī)（旋刀式）的基本原理

割草機(jī)的原理都是利用割刀的旋轉(zhuǎn)對(duì)牧草進(jìn)行收割作業(yè)，下面就以旋刀式割草機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。此類割草機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)的割刀對(duì)植物進(jìn)行無(wú)支撐的切割。其工作部位有一個(gè)或者幾個(gè)圓盤和螺栓連接在刀盤上的割刀組成切割器。垂直軸由動(dòng)力機(jī)械輸出動(dòng)力軸經(jīng)由增速齒輪帶動(dòng)，使得切刀以數(shù)倍于動(dòng)力機(jī)械行駛速度做圓周運(yùn)動(dòng)。在慣性的作用下，割刀可以很容易的將數(shù)厘米高的牧草切斷，至此就完成了牧草切割的工作。其他的割草機(jī)的工作方式基本相似，只是其驅(qū)動(dòng)形式有所不同。旋刀式割草機(jī)通常是利用獨(dú)立懸掛裝置，懸掛在拖拉機(jī)后面進(jìn)行工作。割草機(jī)上通常轉(zhuǎn)載有調(diào)節(jié)高度的之間，工作是可以利用液壓裝置進(jìn)行調(diào)控，收割機(jī)的牽引連接則可以在拖拉機(jī)的前方或者后方。

割草機(jī)的設(shè)計(jì)思路分析

旋刀式割草機(jī)主要三種設(shè)計(jì)思路：托盤形式設(shè)計(jì)，支撐輪設(shè)計(jì)，彈簧減震仿形。下面就對(duì)其三種設(shè)計(jì)進(jìn)行分析：

托盤形式設(shè)計(jì)：實(shí)際上就是在旋轉(zhuǎn)刀盤下設(shè)計(jì)一個(gè)固定托盤，此種設(shè)計(jì)是為了避免刀盤在遇到較高地面時(shí)出現(xiàn)刀片被卡住的現(xiàn)象，而無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行切割以至于損壞刀盤。但是這種設(shè)計(jì)的仿形效果并不是很理想，下方的托盤如果遇到阻礙物就會(huì)被卡住從而導(dǎo)致割草機(jī)出現(xiàn)傾斜，影響割草的質(zhì)量，控制度也不會(huì)很精確，此種設(shè)計(jì)顯然是不可取的。

支撐輪設(shè)計(jì)：此種設(shè)計(jì)就是在割草機(jī)的后面設(shè)置一個(gè)車輪，其目的是為了支撐割草機(jī)并起到仿形的功效，以保證與地面起伏一致并易于控制高度。此種結(jié)構(gòu)在切割中比較靈活，仿形作用良好，但是支撐不夠穩(wěn)定，容易產(chǎn)生傾倒，基本沒(méi)有防震作用，顯然也不可取。

彈簧減震仿形：此種設(shè)計(jì)就是將割草機(jī)放置在一個(gè)懸掛的系統(tǒng)上，在節(jié)點(diǎn)位置設(shè)計(jì)一彈簧裝置，使其達(dá)到減震和仿形的雙重作用，此時(shí)割茬高度是利用懸掛系統(tǒng)的懸臂進(jìn)行控制的，高度易于固定，此種設(shè)計(jì)在實(shí)踐工作中得到了較好的效果，基本可滿足其作業(yè)需求。由此可見(jiàn)此種設(shè)計(jì)是這三種設(shè)計(jì)中最為理想的一種。

對(duì)割草機(jī)的動(dòng)態(tài)分析

設(shè)計(jì)完成后需要對(duì)割草機(jī)整體情況及其運(yùn)行進(jìn)行模擬分析，然后利用計(jì)算機(jī)對(duì)割草機(jī)圓盤做動(dòng)態(tài)分析，并以此作為依據(jù)對(duì)該設(shè)計(jì)的基本參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。下面就對(duì)割草機(jī)的動(dòng)態(tài)分析做簡(jiǎn)要的介紹。

割草機(jī)的動(dòng)態(tài)研究

在對(duì)割草設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)化研究時(shí)，動(dòng)力和機(jī)械運(yùn)動(dòng)是不可分割的，所有運(yùn)動(dòng)都是由動(dòng)力引發(fā)的，割草機(jī)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該從運(yùn)動(dòng)學(xué)出發(fā)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行分析，并獲得其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后才能從動(dòng)力學(xué)方面研究其具體構(gòu)件的受力情況，即解析受力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。這一研究為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了必要依據(jù)。由于割草機(jī)的運(yùn)行工況是在不確定的因素下進(jìn)行的，地面的起伏不受人為控制，因此設(shè)備必須適應(yīng)運(yùn)行工況，使之得到平衡，保證設(shè)備的穩(wěn)定性。當(dāng)然研究割草機(jī)的刀片的運(yùn)行情況和噪音的形成也離不開此種研究模式。其研究并不是針對(duì)刀片本身而是從整體進(jìn)行研究，確定割草機(jī)的運(yùn)行和產(chǎn)生振動(dòng)的模式，這樣才能達(dá)到消除噪音根源的目的。

割草機(jī)的矢量分析

割草機(jī)實(shí)際上是一個(gè)物理層面上的運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)的方向和規(guī)律都與其周圍的限制因素有關(guān)，此時(shí)刀片的運(yùn)動(dòng)和噪音就會(huì)受到周圍機(jī)構(gòu)性能的影響。此種運(yùn)動(dòng)是十分復(fù)雜的，為了簡(jiǎn)化研究和分析的內(nèi)容，可以利用矢量來(lái)表示其運(yùn)行規(guī)律，將連桿的兩端作為運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，從而將某個(gè)部件作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)沿著某種規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這對(duì)研究割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)和受力情況起到一定的幫助。

割草機(jī)的振動(dòng)分析

割草機(jī)的動(dòng)態(tài)化振動(dòng)實(shí)際上取決于割草機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置、激振力性質(zhì)、懸掛裝置的結(jié)構(gòu)特性等等。從整體看割草機(jī)是由機(jī)架、切割器、傳動(dòng)等一系列的獨(dú)立系統(tǒng)組合而成的，是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，在工作中受到各種載荷的影響而產(chǎn)生振動(dòng)。其主要的載荷來(lái)自旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的周期性變化，而地面和牧草的阻力則是一種隨機(jī)載荷，雖然割草機(jī)的振動(dòng)來(lái)自多種因素但是其主要的振動(dòng)源就是地面不平所導(dǎo)致的整體的振動(dòng)，以此在對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程中主要考慮的是割草機(jī)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)地面的適應(yīng)性能，在此基礎(chǔ)上對(duì)其振動(dòng)情況機(jī)械能調(diào)整。

旋刀式割草機(jī)的降噪措施

帶翼片的刀片在刀殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于軸流風(fēng)機(jī)，旋刀裝置的噪聲主要是帶翼片的刀片在刀殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而引起震動(dòng)產(chǎn)生的。旋刀噪聲主要為空氣動(dòng)力噪聲，主要是因?yàn)闅怏w的不穩(wěn)定流動(dòng)，也就是氣體的干擾；氣體與物質(zhì)間相互作用所產(chǎn)生的噪聲。空氣動(dòng)力噪聲主要由渦旋噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲組成。渦流噪聲是因?yàn)榈镀D(zhuǎn)時(shí)翼片周圍產(chǎn)生一系列的渦流，這些渦流的分裂和移動(dòng)使周圍的空氣發(fā)生擾動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲是因?yàn)榈镀D(zhuǎn)時(shí)翼片切割空氣，引起周圍空氣壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。

降低旋刀刀尖的線速度

在風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲中，旋轉(zhuǎn)噪聲和風(fēng)機(jī)葉輪周轉(zhuǎn)速度的10次方成正比；渦流噪聲和風(fēng)機(jī)葉輪周轉(zhuǎn)速度的6次方成正比.草坪割草機(jī)旋刀刀尖的周轉(zhuǎn)速度越高，產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲就越大。在不影響切割技術(shù)的條件下，盡量降低旋刀的刀尖線速度，從而降低噪聲。目前，國(guó)際上的旋轉(zhuǎn)式草坪割草機(jī)的刀尖速度一般控制在70～100m/s之間。為了降低噪聲，同時(shí)提高工作的安全性。近年來(lái)，美國(guó)研制了低速旋刀草坪割草機(jī)，此機(jī)的刀尖速度在26m/s左右也可以正常割草。

采用低噪聲的旋刀裝置

在傳統(tǒng)旋刀裝置的基礎(chǔ)上改進(jìn)刀片的翹曲度，降低旋刀裝置的噪聲。傳統(tǒng)裝置的旋刀裝置的翼片與旋轉(zhuǎn)綜軸線的角度（形成角）是零，將改進(jìn)裝置的形成角設(shè)計(jì)在25-35°之間。當(dāng)旋刀裝置在刀殼內(nèi)繞其回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，翼片上的空氣質(zhì)點(diǎn)一方面以角速度繞旋刀的回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；另一方面繞翼片圓柱面的軸心線轉(zhuǎn)動(dòng)。與其同時(shí)還沿著翼片母線以一定的速度移動(dòng)。改進(jìn)裝置因?yàn)樾纬山谴笥?，所以移動(dòng)的方向背向刀殼裙部，而傳統(tǒng)裝置的形成角等于0，并且由于離心慣性力的影響，使得移動(dòng)方向指向刀殼裙部。如果將這兩種旋刀裝置安裝在同一刀殼內(nèi)，且刀軸以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但是氣流的流動(dòng)性質(zhì)是不同的。改進(jìn)裝置的翼片形成的氣流是向前、向上、向內(nèi)，而傳統(tǒng)裝置的翼片則形成向前、向上、向外的氣流。因此，傳統(tǒng)裝置在翼片的前方的刀殼裙部附近就會(huì)形成密度相對(duì)較大的氣流。由于氣流的密度越大，產(chǎn)生的噪聲也就越大。當(dāng)翼片連續(xù)不斷的切割密度較大的氣流，就會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，同時(shí)，由于阻力的增加，刀殼的磨蝕程度也會(huì)增加。所以，改進(jìn)刀片的翹曲度還是相當(dāng)必要的，不僅降低噪聲，也能延長(zhǎng)旋刀的裝置的壽命。

割草機(jī)上安裝消聲器

在割草機(jī)上安裝消聲器，可以在一定程度上減低噪聲。通過(guò)調(diào)查和研究，對(duì)旋刀裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面的研究，對(duì)割草機(jī)配套的內(nèi)燃機(jī)的減噪裝置進(jìn)行了研究和改進(jìn)，例如，美國(guó)的JOHN DEERE48和德國(guó)的SOLO的割草機(jī)將大容積的消聲器安裝在旋轉(zhuǎn)式刀殼內(nèi)，在很大程度上降低了噪聲污染，均達(dá)到好的消聲效果。

結(jié)語(yǔ)

在割草機(jī)的設(shè)計(jì)中，其主要的出發(fā)點(diǎn)就是為了適應(yīng)工況的需求，達(dá)到牧草生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。彈簧減震仿形可以達(dá)到減震作用，而且易于固定，達(dá)到割草機(jī)的作業(yè)需求。另外通過(guò)降低旋刀刀尖的線速度和采用低噪聲的旋刀裝置，降低旋轉(zhuǎn)割草機(jī)內(nèi)部裝置的振動(dòng)，達(dá)到降低噪聲的目的。

參考：

［1］王振東，涂洪森.草坪割草機(jī)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)作業(yè)質(zhì)量影響分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備.2004，（01）

［2］周忠旺.草坪割草機(jī)的設(shè)計(jì)與割草質(zhì)量［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備.2002，（10）

［3］張軍.FXG-1型手扶自行式割草機(jī)的研制和應(yīng)用［J］.治黃科技信息.2006，（02）